CN104144644A - 用于确定气体的浓度的传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于测量气体的浓度的光学传感器单元(10)，所述光学传感器单元包括：至少一个感测层(122)，其适于被预定辐射辐照；至少一个透气层(121)，其邻近所述至少一个感测层(122)的一侧并且适于使要测量其浓度的气体朝向所述感测层(122)通过所述透气层(121)；可移除保护层(150)，其至少覆盖所述透气层(121)并且适于在所述光学传感器单元(10)的使用之前被移除，其中，所述光学传感器单元(10)适于测量所述至少一个感测层(122)的光学响应，所述光学响应取决于所述气体的浓度。

Description

用于确定气体的浓度的传感器
技术领域
本发明涉及用于确定气体的浓度的传感器，以及包括这样的传感器的系统。
背景技术
神经肌肉疾病、COPD和肥胖肺换气不足患者常常患有慢性呼吸衰竭。患慢性呼吸衰竭的患者需要在家对他们的呼吸衰竭进行定期处置。通过氧气疗法来处置血氧过低患者，同时通过无创通气(NIV)的处置来帮助使高碳酸血症患者的高二氧化碳血液气体水平回到可接受的水平。通过在NIV期间测量基线和动脉血氧与二氧化碳水平的趋势，来检查通气的疗效。
动脉血液气体测量形成黄金标准。在家中开始NIV之前，患者留在医院以优化通气机设置并监测动脉血液气体值。取决于疾病严重度和稳定性，患者必须或多或少地定期返回医院进行检查。呼吸科护士也可以访问在家的患者，以检查通气机并安装实现对血液气体分压的无创监测的装备。在家里，典型地在夜间期间监测水平，并且数据与通气机和呼吸数据一起存储，用于随后在医院进行分析。
无创血氧监测的现有技术是通过测量动脉血氧饱和度，其与经由氧离解曲线的氧分压相关。血氧饱和仪(SpO2)是用于对患者的脉搏血氧饱和度进行无创检测的光学方法，并且已成为临床实践中最常用的技术之一。脉搏血氧饱和仪是合理低成本的技术，并且容易使用。其为用于家庭血氧监测的优选方法。
对CO2的分压的无创监测的现有技术是借助于二氧化碳图或通过经皮CO2(PtcCO2)监测。对于具有健康肺部系统的插管患者，通过二氧化碳图获得的潮气末CO2(etCO2)值提供对动脉CO2值的良好指示。然而，在其中面罩与面部之间的漏气常常存在以及患者有严重呼吸疾病的无创通气的情况中，二氧化碳图通常不是可靠的方法。将患者的气道连接到通气机的管道中的湿气和污垢也可能影响二氧化碳图传感器的正常操作。在大多数医院中，使用用于趋势监测的二氧化碳图与对动脉血样品的分析的组合，以获得间歇地准确的值。经皮CO2监测不因漏气、呼吸疾病和湿气而被破坏，但要求训练有素的人员以获得可靠的值，并且因成人间皮肤性质的不同而表现出某些不准确性。家用CO2血液气体监测尽管其针对接收NIV的患者的高度可靠性，但其使用频率不如血氧饱和仪。
目前的经皮CO2传感器一般包括恒温控制的加热器，以增加血液灌注和皮肤的透气性，以及稳定传感器的响应、皮肤与传感器膜之间的流体层、覆盖传感器的透气膜、膜与传感器之间的电解质溶液、包括电化学pH传感器和参比电极的传感器，以及用于补偿温度效应和皮肤代谢的算法。
传感器膜和电解质溶液必须典型地每2周，或者当所述传感器已长时间不使用时在使用前更换。这要求一些专业技术，因为需要将固定量的电解质溶液施加到所述传感器，并且所述溶液中不可以存在气泡。要求特殊的模块以将膜气密性地固定在所述传感器和电解质溶液之上。由于所述传感器的漂移，所述传感器需要每4至8小时使用来自参比气瓶的气体混合物进行校正。在将所述传感器应用到皮肤之前，必须将固定量的接触流体施加到已被附接到所述皮肤的固定环中。
US2001/0034479描述了一种基于光学的经皮血液气体传感器，其具有可重复使用的传感头和一次性感测帽。所述可重复使用的传感器必须被置于所述一次性感测帽上，并且此后该单元必须被置于借助于粘接膜被附接到患者的皮肤的一次性容器中。
WO 02/056023 A1公开了一种用于确定样品中的至少一个参数的光学传感器。所述光学传感器包括对所述参数响应并且具有短发光衰变时间的指示材料，以及不对所述参数响应并且具有长发光衰变时间的参考材料。所述光学传感器基于被共同检测的指示材料和参考材料的发光响应，来检测指示待检测参数的信号。所述指示材料和参考材料被固定在公共支撑体上。面向所述指示材料的和所述参考材料的样品的层被允许所述指示材料和所述样品之间的接触的层覆盖，但基本上不透过被用于激发所述指示材料和所述参考材料的光。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于测量气体的浓度的传感器，其可以被容易地应用并且具有低生产成本，并且其不要求在使用之前复杂的校准。进一步地，提供采用所述传感器的系统和方法。
该目标通过独立权利要求的特征得以解决。
本发明基于以下想法：将至少一个感测层和至少一个透气层组合到单个光学传感器单元中，并且用优选为气密性的至少一个可移除保护层至少覆盖所述透气层。在即将使用之前，即在所述传感器单元被附接到释放气体的对象(例如皮肤)之前，移除所述保护层。因此，在所述传感器单元的使用之前用所述至少一个可移除保护层来覆盖所述透气层保持其对带测量气体的已知响应。因此，可以在制作过程中处理校准，并且不需要使用前的校准。
根据本发明的一个方面，一种用于测量气体的浓度的光学传感器单元，包括：至少一个感测层，其适于被预定辐射辐照；至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧并且适于使要测量其浓度的气体朝向所述感测层通过所述透气层；以及至少一个可移除保护层，其至少覆盖所述透气层并且适于在所述光学传感器单元的使用之前被移除，其中，所述光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述光学响应取决于所述气体的浓度。
在示范性实施例中，当所述光学传感器单元被附接到人的皮肤时，皮肤中存在的气体，例如氧气(O2)或二氧化碳(CO2)，穿过可以与皮肤直接接触的所述透气层和/或被布置在所述至少一个透气层与所述皮肤之间的接触介质，进入感测层中，只要皮肤中的气体分压高于所述传感器单元中的气体分压。气体将穿过渗透膜进入所述感测层中或从所述感测层出来，直到建立平衡。被例如可见光、红外光和/或紫外光辐照的感测层可以生成发光(光学响应)，其强度作为时间段函数取决于所述感测层中目前存在的气体的浓度。根据对该光学响应(在该范例中为发光)的测量，可以导出皮肤中的气体浓度。
在将所述光学传感器单元附接到需要测量其溶解气体浓度的所述对象(例如皮肤)之前，移除覆盖所述透气层的所述保护层。通过提供所述保护层并且仅在将所述传感器附接到所述对象之前移除所述保护层，此时不需要对所述传感器单元的校准。亦即，由于从制作直到使用，所述透气层以及优选地还有所述感测层受所述可移除保护层保护，使得所述透气层和所述感测层保持对待测量气体的已知响应，例如分别为扩散特性和光学响应特性。因此，可以在制作期间处理校准，并且用户不需要在使用前处理繁琐的校准。
优选地，所述光学传感器单元还包括至少一个光学透明层，其邻近所述至少一个感测层的另一侧或相反侧。所述透明层(或透明物质)可以覆盖所述感测层并保护其免于与周围大气直接接触。优选地，所述至少一个感测层尤其在一侧被所述透气层包围并且在另一侧被所述光学透明层包围。由于所述透气层没有防止湿气进入和/或离开所述感测层，根据本发明提供这样的方案，其中，在存储期间气密封装所述至少一个感测层。所述至少一个光学透明层可以仅对选定的波长范围透明。例如，当使用第一光谱范围的辐射作为辐照所述感测层的所述预定辐射，并且使用第二光谱范围的辐射来确定所述感测层的响应时，所述至少一个光学透明层可以仅允许所述第一和第二光谱范围的波长通过。这增加了所述光学传感器单元的准确度和灵敏度。
优选地，所述光学传感器单元还包介于至少所述至少一个透气层与所述至少一个可移除保护层之间的接触介质。所述接触介质优选地包括凝胶或液体。所述接触介质优选地适于通过建立对具有固定渗透度的流体的接触，来保持/控制或影响所述至少一个透气层和/或所述至少一个感测层的水含量(湿气含量)。在所述传感器单元被用作经皮传感器的情况中，所述渗透度被选择为对应于人类皮肤的渗透度的值。因此，可以增加所述光学传感器单元的保存期限，并且可以防止所述感测层的光学响应特性和/或所述透气层的扩散特性的劣化。额外地或可选地，所述接触介质还适于确保所述透气层与释放气体的对象之间的流体接触。这进一步提升所述光学传感器单元的准确度。所述接触介质优选地完全覆盖所述透气层。
在优选的实施例中，所述光学传感器单元还包括介于所述接触介质与所述可移除保护层之间的第二透气层。所述透气层优选地支撑所述接触介质，并且阻挡不想要的物质在皮肤与感测层之间转移。
优选地，可以在所述光学传感器单元中提供储层，以向所述保护层与所述至少一个透气层之间的空间提供足够的接触介质。
优选地，所述光学传感器单元还包括邻近所述至少一个透气层并且具有腔体和/或孔的结构，其中，所述接触介质被布置在所述腔体中。所述腔体和/或孔提供一种保持并支撑所述接触介质的曲径。
优选地，所述传感器单元还包括介于所述至少一个可移除保护层与支撑至少所述感测层和/或所述透气层的结构之间的胶粘层。所述胶粘层可以有两个功能。第一，所述胶粘层可以将所述可移除保护层固定到支撑至少所述感测层或所述透气层的结构，因此密封所述感测层和/或所述透气层免于与周围大气(包装中的保护气体或空气)直接接触。通过这样，可以增加所述光学传感器单元的保存期限，并且可以防止所述感测层的光学响应特性和/或所述透气层的扩散特性的劣化。第二，所述胶粘层可以被用于在所述保护层已被移除之后，将所述光学传感器单元牢固地固定到释放或交换气体的对象，例如皮肤。再次，与释放气体的对象直接接触的所述胶粘层将所述透气层和/或所述感测层从周围空气密封，由此防止所述感测层的光学响应特性和/或所述透气层的扩散特性的劣化。所述粘结剂的材料可以与胶布绷带中应用的材料相同。
优选地，所述胶粘层包括第一胶粘层、第二胶粘层和介于所述第一胶粘层与所述第二胶粘层之间的支撑层。所述第一胶粘层可以具有用于使所述至少一个透气层和/或所述接触介质暴露的开口，其中，所述第二胶粘层和所述支撑层覆盖所述至少一个透气层和/或所述接触介质。所述第二胶粘层和所述支撑层可以在其对应于所述透气层的部分中至少部分地被穿孔。因此，在移除由所述第二胶粘层支持的所述保护层之后，所述第一胶粘层支持所述支撑层。
优选地，所述至少一个感测层包括发光材料/发光体。为了监测氧，所述感测层可以包括荧光染料，并且为了监测CO2，所述感测层可以包括含有pH响应发光体的硅氧橡胶。所述至少一个感测层可以适于同时监测氧和CO2。优选地，所述感测层包括第一区域和第二区域，用于分别检测氧和CO2。这提供了所述光学传感器单元的扩展应用范围。
优选地，所述透气层适于防止光穿过所述透气层。例如，所述透气层可以适于反射或散射被传送通过所述至少一个感测层的光。因此，由位于邻近所述感测层(即在其之上)或所述光学透明层的检测设备测量的发光的强度增加，由此增加了信噪比并且因此所述光学传感器单元的灵敏度和准确度。为不透光的所述透气层也防止来自环境的光影响由所述检测设备测量的来自所述感测层的光的强度。
优选地，所述可移除保护层包括塑料和/或金属和/或为不透光的和/或为不透气的。因此，可以防止所述透气层和/或所述感测层的特性的劣化，其可能是由例如入射环境光造成的，所述入射环境光造成所述感测层中的发光染料的光漂白，或水从所述感测和/或透气层到周围大气(例如空气)的蒸发。
优选地，所述光学传感器单元还包括至少一个加热元件和/或至少一个温度传感器。例如，当所述光学传感器单元被附接到人的皮肤时，所述加热元件可以适于增加血液灌注和皮肤的透气性，由此增加所述光学传感器单元和/或经皮传感器单元的灵敏度和准确度。所述加热器可以为(齐纳)二极管的形式或者可以包括薄箔，以最小化光学距离和热质量。进一步地，所述加热器优选为电阻加热器或(齐纳)二极管，从而所述元件也可以被用作温度传感器，即加热器与温度传感器由相同的元件(一个或多个)形成。这降低了用于加热器和温度传感器的安装所需要的空间以及成本。然而，所述温度传感器也可以被实现为用于感测所述光学传感器单元的温度的单独元件，以避免对皮肤的损伤或灼伤。
优选地，所述光学传感器单元为用于测量血液气体浓度(尤其是O2和/或CO2气体浓度)的经皮传感器单元。该应用是有利地，因为其将使得能够在家使用经皮气体监测，而无需昂贵的患者训练或训练有素的护士的参加。
优选地，所述光学传感器单元包括第一感测层和第二感测层，其中，所述第一感测层适于测量O2浓度，并且所述第二感测层适于测量CO2浓度。所述第一感测层和第二感测层可以被堆叠，或者可以被布置为相对于释放气体的对象的表面邻近彼此。这提供了所述光学传感器单元的扩展应用范围。.
优选地，所述光学传感器单元还包括：适于用光辐照所述感测层的至少一个光源或导光结构，以及适于检测所述感测层的所述光学响应的至少一个导光结构或检测设备。
所述至少一个光源可以为有源光源，例如LED，并且所述至少一个检测设备可以为光敏设备。可选地，导光结构可以被用于用所述预定辐射来辐照所述感测层。所述导光结构可以被布置在所述感测层/光学透明层之上，并且经由光纤被连接到所述光学传感器单元外部的光源。来自所述外部光源的光被引导通过所述光纤并被引入所述导光结构，所述导光结构适于将所述光朝着所述至少一个感测层导向。进一步地，相同的导光结构可以被用于收集所述感测层的所述光学响应，以及被用于经由相同或不同的光纤将所述光学响应(例如发光)引导至所述光学传感器单元外部的设备用于分析。
在优选的实施例中，采用两种可选的组合。尤其地，所述光学传感器单元中包括的有源光源可以被用于用所述预定辐射辐照所述感测层，并且导光结构可以被用于收集所述感测层的所述光学响应，并且用于经由至少一个光纤，将所述光学响应(例如发光)引导至所述光学传感器单元外部的设备，用于分析。优选地，所述光被耦合到所述感测层中，并且通过所述感测层的相同表面收集发光。可选地，经由光纤被连接到所述光学传感器单元外部的光源的导光结构可以被用于将来自外部光源并被传输通过至少一个光纤的光朝着所述至少一个感测层导向。至少一个检测设备，例如光敏设备，可以然后被包括用于感测光学响应，并且可以适于生成例如对应于所感测的光学响应的电信号。所述信号可以被传输到外部设备用于分析。可选地，所述光学传感器单元可以适于执行所述分析。
优选地，所述至少一个光源和所述至少一个检测设备形成被可拆卸地连接到所述光学传感器单元的壳体或结构的单元。相应地，所述光学传感器单元的剩余部分，例如所述感测层、透气层、可移除保护层、壳体和/或支撑结构可以是一次性的，其中，其余单元，即所述光源和所述检测设备可以被重复使用。这允许节省成本，因为昂贵的部分，例如光源和/或检测设备和/或电子元件被重复使用。通过使用导光结构，有可能连接被耦合到所述光学传感器单元的输入和/或输出导光结构。因此，不需要将额外的单元连接到容纳所述光源和所述至少一个检测设备的所述光学传感器单元。
根据本发明的另一方面，提供一种用于患者监测和/或患者的通气的系统，包括如上所述的光学传感器单元、通气设备和监测设备。所述光学传感器单元可以操作性地耦合到所述监测设备和/或到所述通气设备，其中，所述监测设备可以适于以下中的至少一项：分析所述感测层的所述光学响应、控制所述加热元件和/或所述温度传感器、显示所确定的气体浓度，等等。进一步地，所述监测设备可以起所述光学传感器单元与所述通气设备之间的界面的作用。优选地，所述监测设备包括用于从所述感测层所测量/感测的光学响应，例如从所感测的所述发光的强度或衰变时间，来计算/确定所述气体浓度的模块。当所述感测层并入具有快发光衰变的气敏染料和具有慢发光衰变的气敏参比染料时，可以应用同步检测方案。以固定频率调制激发光的强度，并且检测发光信号的相位并将其转换成(可以从其确定所述气体浓度的)气敏染料的相对强度。用于计算/确定所述气体浓度的所述模块可以使用也适用于补偿温度效应和皮肤代谢的算法。所述监测设备或通气设备可以包括用于存储作为时间的函数的监测数据的模块。可以使这些数据在以后可供医师分析。进一步地，可以基于所测量/确定的气体浓度的来控制所述通气设备。
根据本发明的再另一方面，提供一种用于测量气体的浓度的方法。所述方法使用这样的光学传感器单元，所述光学传感器单元包括：至少一个感测层，其适于被预定辐射辐照；至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧并且适于使要测量其浓度的气体朝向所述感测层通过所述透气层；以及可移除保护层，其至少覆盖所述透气层并且适于在所述光学传感器单元的使用之前被移除，其中，所述光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述光学响应取决于所述气体的浓度。所述方法优选地包括以下步骤：从所述光学传感器单元移除所述保护层，将所述光学传感器单元附接到释放气体的对象，在通过所述透气层之后，接收要在所述感测层中测量其浓度的气体，以所述预定辐射辐照所述感测层，并且感测所述感测层的所述光学响应，所述光学取决于所述气体的浓度。
尽管将尤其参考用于血液气体监测和患者监测的经皮无创传感器和/或使用其的通气设备来解释实施例，但本创新的传感器也可以容易地被应用于不同领域以及其他系统，例如其他血液气体传感器、用于伤口护理和家庭健康护理产品的传感器，或者一般被应用于用于测量气体浓度的传感器。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的光学传感器单元的剖视图。
图2示出了根据本发明第二实施例的光学传感器单元的剖视图。
图3示出了根据本发明第三实施例的光学传感器单元的剖视图。
图4示出了根据本发明第四实施例的光学传感器单元的剖视图。
图5示出了根据本发明第五实施例的光学传感器单元的剖视图。
图6示出了根据本发明第六实施例的光学传感器单元的剖视图。
图7示出了包括根据本发明的光学传感器单元的系统。
图8示出了用于使用根据本发明的光学传感器单元来测量气体浓度的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的光学传感器单元可以为用于测量血液气体浓度的即用型传感器贴。所述即用型传感器贴将并入了至少感测层和透气层(膜)的感测点组合到单个贴单元中。所述贴单元可以还包括胶粘层(膜)。所述贴单元以这样的方式被封装在气密且不透光的包装中，使得所述单元保持其对CO2和/或O2的已知响应。在打开所述包装并移除覆盖所述感测店和胶粘层的保护层(保护箔)之后，所述贴单元可以被直接附接到患者的皮肤。所述即用型传感器贴可以典型地被用于在一夜期间监测，但也可以被用于在几天期间监测。在所述传感器从所述皮肤移除之后，所述传感器贴可以被丢弃。在制作期间进行校准。不需要在使用前进行校准以及单独施加传感器与皮肤之间的接触液体。由于化学-光学技术代替电化学技术的应用，电解质溶液的施加也将不再需要。本发明使用一个或多个透气膜以将所述感测层，例如发光染料，与皮肤分隔。这些膜将在制作期间被用作传感器点的一部分，并且不需要在使用前被单独安装和校准。
图1示出了根据本发明的第一实施例的光学传感器单元10的剖视图。光学传感器单元10可以具有圆形形状。光学传感器单元10包括第一设备100和第二设备200。第二设备200优选地可从第一设备100拆卸。优选地，所述第二设备可重复使用并且第一设备100为一次性的。在使用中，第一设备100可以被附接到患者的皮肤300，并且第二设备200可以被操作性地耦合到第一设备100。
第一设备100包括传感器点120，感器点120包括至少一个透气层121、至少一个感测层122和至少一个光学透明层123。至少一个感测层122位于透气层121与光学透明层123之间。所述光学透明层基本上气密的，以防止感测层122的感测/光学响应的劣化。传感器点120可以由支撑结构110支撑。支撑结构110可以为圆柱形并且可以包括上开口和下开口。在恰在传感器点120之下的所述下开口中，可以提供接触介质130，接触介质130可以包括接触凝胶，用于保持/控制透气层121和/或感测层122的水含量，以及保证在使用中透气膜121与皮肤300之间的流体接触。
可以在例如传感器点120的侧面，提供加热元件160，用于加热皮肤300，以增加血液灌注和皮肤300的透气性。所述加热元件可以具有圆柱形状或任意其他合适的形状。加热元件160可以例如为电阻加热器，其经由所述第二设备的接触元件230以电力供应。可选地，第一设备100的加热元件160可以包括导热材料，其被接触元件230中包括的(电阻)加热器加热。在两个实施例中，接触元件230均与加热元件160电气和/或热接触。代替电气接触，可以应用电感耦合。在该情况中，接触元件230包括第一电感线圈和加热元件160第二电感线圈。在第一设备100中，由所述第二电感线圈和消散元件，例如电阻器、(齐纳)二极管或显然地所述线圈自身的导线电阻形成电路。通过将电流施加到所述第一电感线圈中，在所述第二线圈中感生电流，其引起热消散。电感耦合方案另外的优点在于，皮肤300上的设备200和设备100中的加热器电子元件之间不存在直接电流接触。这由于可以省略电气保护装置，而使加热器控制器的设计容易，并且降低成本。注意，温度读出不受设备100与设备200之间的热接触电阻影响，只要设备200与环境良好地热隔离并且设备100与设备200之间的热接触电阻显著小于设备200到环境的热接触电阻。可以通过连接器的充分热隔离容易地满足该约束。
在图1中，加热元件160加热支撑结构110，其继而加热下方的皮肤300。然而，在其他实施例中，加热元件160可以直接接触皮肤300。在这样的情况中，支撑结构110可以具有L形状代替图1中示出的反T形状，并且加热元件160可以延伸到胶粘层140。
支撑结构100的下侧被可移除保护层150覆盖。可移除保护层150被提供用于保护所述传感器点和/或接触介质130免于与周围大气的直接接触和/或免受入射环境光。保护层150借助于胶粘层140被附接到支撑结构110。胶粘层140可以被提供有开口，使得所述接触介质和/或所述传感器点不被所述胶粘层覆盖。因此，接触介质130的至少部分直接与皮肤300接触。
在存储期间，基本上气密的透明层123、气密加热元件160或所述加热元件与所述保护层150之间的气密结构完全包围感测层122、膜层121和接触介质130，由此防止所述光学传感器元件的特性的劣化。在使用之前，移除保护层150并将第一设备100附接到皮肤300。胶粘层140可以防止周围空气到接触介质130和/或所述透气膜和/或所述感测层的泄漏，由此防止所述光学传感器单元的特性的劣化。
第二设备200可以包括光学设备220，其包括至少一个光源和至少一个检测设备。第二设备200优选为圆形形状并且适于装入支撑结构110的上开口。用于将第一设备100和第二设备200固定彼此的模块可以包括滑入配合170、270，其分别被提供在限定支撑结构110的所述上开口的内侧壁和第二设备200的外侧壁的侧表面上。
光学设备220可以与光学透明层123直接接触。光学设备220的至少一个光源可以为有源光源，例如LED，并且光学设备220的至少一个检测设备可以为光敏设备。优选地，导光结构可以被用于用所述预定辐射(优选为可见光、红外光和/或紫外光)来辐照感测层122。所述导光结构可以被布置在传感器点120上方，并且可以经由被包括在供给线240中的光纤而被连接到光学传感器单元10外部的光源。来自所述外部光源的光被引导通过所述供给线249的所述光纤，并被引入到光学设备220的所述导光结构中，其适于将所述光朝着至少一个感测层122导向。此外，光学设备220的相同导光结构可以被用于收集感测层122的所述光学响应，并且被用于经由被包括在供给线240中的相同或不同的光纤，将所述光学响应(例如发光)，引导至光学传感器单元10外部的设备用于分析。
可选地，使用上述替代的组合。尤其地，被包括在光学设备220中的有源光源(例如LED)可以被用于辐照感测层122，并且也被包括在光学设备220中的导光结构可以被用于收集感测层122的光学响应，并用于经由供给线240中的至少一个光纤，来将所述光学响应(例如发光)引导至光学传感器单元10外部的设备用于分析。可选地，光学设备220的导光结构——其经由被包括在供给线240中的至少一个光纤被连接到光学传感器单元10外部的光源——可以被用于将来自所述外部光源被传输通过所述至少一个光纤的光朝着至少一个感测层导向。光学设备220中包括的至少一个检测设备，例如光敏设备，被用于感测光学响应。所述检测设备可以适于生成，例如对应于所感测的光学响应的电信号。所述信号可以然后被传输到外部设备用于分析。可选地，光学传感器单元10可以适于执行所述分析并适于将分析结果输出到某种外部设备。
优选地，第一设备100是一次性的并且第二设备200可重复使用。尤其地，无源设备可以根本不包括任何昂贵的电子元件。因此，可以省力且低成本地制作第一设备100，其中，包括电子元件的第二设备200可以被重复使用，并且也可以例如与用于测量不同气体(例如O2和CO2)的浓度的不同第一设备100一起使用。这提供光学传感器单元10的增加的灵活性。
在操作期间，加热元件160以及优选地接触流体130和感测层122的温度可以被加热元件160增加到42摄氏度至45摄氏度范围内的温度，以增加皮肤中的毛细血管流量并将所述毛细血管血液气体水平带至接近动脉血液气体水品。在操作期间，可以由加热元件160和/或接触元件230中包括的至少一个温度传感器，和/或由单独提供的温度传感器，来测量所述传感器温度。可以这样控制所述温度，以具有良好定义的测量条件，并防止灼伤皮肤300。
在优选的实施例中，通过供给线240中包括的光纤和光学设备220中包括的导光结构，感测点120被照亮，并且收集发光并将其传输到监测设备20，监测设备20包括光电子电路，用于检测和信号分析。在信号检测以及针对传感器单元和皮肤300中的温度相关效应的补偿之后，可以将所导出的气体浓度水平转移到另外的外部设备，用于数据显示和存储，例如到经由监测设备20被连接到光学传感器单元10的通气设备30(详见图4)。
优选的是，来自制造商的所有传感器点均示出为气体浓度水平的函数的相同响应。通过若干常数来描述对气体浓度的响应，并且这些常数被设为外部设备(例如监测设备20)中的固定参数，以将光学传感器单元10的信号转换成可以被显示在显示器模块或被存储在例如SD卡上用于以后由医师分析的气体浓度值。
分批校准可以提供在制作不能被控制为使得来自不同批次的传感器点120显示相同的响应的程序时，提供备选。在该情况中，描述所述响应的常数将由制造商针对来自某一批次的一个或几个传感器点120确定，并将为来自所述批次的全部传感器点120供应所述常数。负责经皮贴到患者的分布的照护提供者可以为特定患者同时提供贴和用于数据存储的SD卡，其中后者包括描述所述传感器响应的常数。在连接经皮传感器到外部设备20、30并且插入所述SD卡在所述外部设备20、30用于数据存储时，外部设备20、30从所述SD卡读取所述常数，并执行传感器点信号到气体浓度水平的准确变换，而不涉及所述患者和/或护士和/或医师。
图2示出了根据本发明的第二实施例的光学传感器单元10的剖视图。图2中示出的实施例不同于图1中示出的实施例，不同之处在于，第二设备200与第一设备100集成地形成。在该实施例中，光学传感器单元10整体可以是可重复使用或一次性的。
图3示出了根据本发明的第三实施例的光学传感器单元10的剖视图。图3中示出的实施例不同于图1和图2中示出的实施例，不同之处在于不提供接触介质130。相反，在透气层121下面，提供具有液体180(例如缓冲溶液180)的储层。因此，在保护层150的移除之后，缓冲溶液180散开，并且可以使透气层121与患者的皮肤直接接触。透气层121可以为具有高湿气含量的柔性硅酮橡胶膜，其在经皮测量期间提供对皮肤的良好接触。缓冲溶液180优选地适于保持/控制所述至少一个透气层和/或所述至少一个感测层的水含量(湿气含量)。因此，可以增加所述光学传感器单元的保存期限，并且可以防止所述感测层的光学响应特性和/或所述透气层的扩散特性的劣化。
保护层150可以被成型为使得储层(即，可以容纳缓冲溶液180的空间)被提供在传感器点120下面。
与图1和图2中示出的实施例另外的不同在于，在图3中，加热元件160与胶粘层140直接接触。然而，可以组合图1、图2和图3中示出的实施例，即图3中示出的实施例可以包括图1和图2中示出的接触介质130和/或加热元件160。进一步地，图3中示出的第二设备200可以是可从第一设备100拆卸的或者与第一设备100集成形成，如图1和图2中分别示出的。进一步地，关于图1描述的光学设备220的结构可以与图2和图3的实施例相同或实质相同。
图4示出了根据本发明的第四实施例的光学传感器单元10的剖视图。根据第四实施例的光学传感器单元10类似于图3中示出的第三实施例。尤其地，图4中示出的光学传感器单元10也包括液体或流体180，但有两个透气膜，即第一透气膜121a和第二透气膜121b。
第一透气膜121a和第二透气膜121b被布置为限定它们之间的薄流体层180a。流体膜180a优选地位于传感器点120下面，并且连接到位于传感器点120周围区域中或传感器单元10的其他地方的储层180b。加热元件160可以包括至少一个用于提供所述储层180b的室。流体180的渗透度控制透气膜121a、121b和感测层122在存储期间的水含量。在操作期间，其提供缓冲液，以改变皮肤上的湿度和渗透度。额外地，第二膜121b阻挡不想要的物质在传感器点121(121a、122、123)与皮肤300之间转移。
两个膜121a、121b的组成可以不同，以获得对物质朝向感测层122的想要或不想要的转移的更高选择性。在透气膜121a、121b之间的流体膜180a的厚度应足够薄，以限制其对传感器单元10的响应时间的影响。优选地，其厚度典型地小于一毫米，并且更优选在十分之一毫米的范围内。所述膜之间的间隔结构可以进一步被提供为控制流体膜180a的厚度。
图5示出了根据本发明的第五实施例的光学传感器单元10的剖视图。根据第五实施例的光学传感器单元10类似于图2中示出的第二实施例。尤其地，图5中示出的光学传感器单元10也包括接触介质130，但有两个胶粘层，即第一胶粘层140a和第二胶粘层140b，以及被设于它们之间的支撑层141。
第一胶粘层140a在形状和特性上基本上对应于图1-图4中示出的胶粘层140。第二胶粘层140b和支撑层141被用于固定接触介质130的位置，并且第二胶粘层140b还被用于将传感器单元10粘到皮肤300(类似于第一至第四实施例的胶粘层140)。在接触介质130的位置处，第二胶粘层140b和支撑层141可以被穿孔，以使得气体能够在传感器单元10与皮肤300之间传输。可以由覆盖整个贴表面的薄双面粘结带，形成第二胶粘层140b。
图6示出了根据本发明的第六实施例的光学传感器单元10的剖视图。根据第六实施例的光学传感器单元10类似于图2中示出的第二实施例。尤其地，图6中示出的光学传感器单元10也包括接触介质130和位于传感器点120下面的结构131。
优选地，结构131位于透气膜121之上。结构131适于在剥离可移除箔之后固定接触介质130的位置。结构131可以包括至少一个腔体132，用于容纳接触介质130。优选地，腔体132限定结构131的曲径结构。此外，接触介质130的厚度可以基本上等于或大于结构131的厚度。优选地，接触介质130在传感器单元10附接到其之后接触透气层121和/或皮肤300。可选地，结构121可以被提供在传感器点120与接触介质130之间。
接触介质130可以为凝胶或液体/流体(例如缓冲溶液)。
此外，结构131也可以被应用与图4中示出的第四实施例，在储层180b中和/或在针对流体层180a提供的空间中，例如用于固定第一膜121a和第二膜121b相对于彼此的位置。
图4-图6中示出的第二设备200可以是可从第一设备100拆卸的，或者与第一设备100集成地形成，如在图1和图1中分别示出的。进一步地，关于图1描述的光学设备220的构造可以针对图4-图6相同或实质相同。此外，在第五和第六实施例中，加热元件160的结构可以与针对第三实施例示出的实质相同，即加热元件160可以延伸到胶粘层140。
可选地，有可能在所有实施例中均额外地或可选地使用橡胶密封和带，代替所述胶粘层，用于将所述光学传感器单元附接到皮肤。当移除保护层150时，胶粘层140被移除，并且优选地围绕支撑结构110的下开口的所述橡胶密封被暴露并且可以被放置在患者的皮肤上。然而，也有可能使用所述胶粘层和所述橡胶密封，用于固定所述光学传感器单元以及用于密封测量的地方。可以使用带或尼龙搭扣用于固定这种光学传感器单元。
图7示出了用于患者监测和/或患者的通气的系统，包括根据本发明的光学传感器单元10、通气设备30和监测设备20。监测设备20可以起光学传感器单元10与通气设备30之间的界面的作用。监测设备20可以包括光电子元件，用于经由供给线240和光学设备220中包括的光纤，为光学传感器单元10供应光，以及用于经由光学设备220和供给线240中包括的光纤接收来自感测层121的发光。监测设备20可以还包括用于基于所接收的光学响应(例如在感测层123中生成的所述发光的强度)来确定/计算气体浓度的模块。监测设备20可以还包括加热器控制器，用于控制加热元件160的温度。所述加热器控制器可以适于使用光学传感器单元10中包括的温度传感器来检测加热元件160的温度，以及适用于基于所检测的温度，调节例如流通通过加热元件160或接触元件230中包括的电阻加热器的电流。监测设备20可以还包括用于与通气设备30通信的模块。所述通信模块可以包括至少一种通信技术，例如有线(线缆)、无线(蓝牙、红外、RF)，等等。
通气设备30可以包括与现有技术中用于对患有呼吸衰竭的患者的有创或无创通气的通气设备相关联的所有功能，并且可以还包括显示模块和存储设备，用于显示和存储从监测设备20接收的信息/数据。尤其地，通气设备30的所述显示模块可以适于显示由监测设备20确定的气体浓度，并且可以还存储预定时间段上的气体浓度信息，例如用于以后由医师评价或用于对通气设置的闭环自适应。所述监测设备可以为独立式设备或卡到通气机上的设备，或被包括在通气设备30中。
图8示出了用于使用根据本发明的光学传感器单元10测量气体的浓度的方法的流程图。在步骤S10中，从光学传感器单元10移除保护层150。然后，在步骤S20中，将光学传感器单元10附接到患者的皮肤300。接触介质130或透气层121接触皮肤。胶粘层150被牢固地附接到皮肤并且优选地将接触区(传感器点120)从周围空气密封。在附接所述光学传感器单元10之后，加热元件160可以被用于加热光学传感器单元10下方的皮肤300，以增加皮肤中的毛细血管血流量并使毛细血管血液气体水平接近动脉血液气体水平。离开皮肤并且要测量其浓度的气体，通过提供预定扩散速率的透气层121，并到达感测层122。在步骤S30中，用预定辐射辐照感测层122，所述预定辐射优选为可见光、红外或紫外辐射。辐照感测层122引起感测层生成发光，发光的强度取决于扩散到感测层122中的气体的浓度。尤其地，所述发光的强度根据感测层122中的气体的浓度变化。在步骤S40中，由光学设备220测量/感测光学响应，即所述发光的强度。优选地，经由光学设备220和供给线240中的光纤将所述发光引导至监测设备20，该监测设备20适于在步骤S50中，利用所述光学响应，并且尤其基于所感测的荧光的强度来确定/计算气体的浓度。监测设备20可以然后将所确定的气体浓度传输到通气系统30，用于显示和存储。
本发明的优点在于：对所述光学传感器单元的校准是在制作期间处理的，并且不需要使用之前进行校准以及单独应用传感器与皮肤之间的接触流体。由于应用化学光学技术代替常规的电化学技术应用，也不需要电解质溶液。根据本发明，透气膜及优选地接触介质被用于将感测层(例如包括发光染料)与释放气体的对象(例如皮肤)分开。这些元件在制作期间作为传感器现场的部分被应用，而不需要在使用之前单独安装。

Claims (15)

1.一种用于测量气体的浓度的光学传感器单元(10)，包括：
-至少一个感测层(122)，其适于被预定辐射辐照；
-至少一个透气层(121)，其邻近所述至少一个感测层(122)的一侧并且适于使要测量其浓度的气体朝向所述感测层(122)通过所述透气层(121)；
-可移除保护层(150)，其至少覆盖所述透气层(121)并且适于在所述光学传感器单元(10)的使用之前被移除，
其中，所述光学传感器单元(10)适于测量所述至少一个感测层(122)的光学响应，所述光学响应取决于所述气体的浓度。
2.如权利要求1所述的光学传感器单元，还包括接触介质(130、180)，所述接触介质至少介于至少所述透气层(121)与所述可移除保护层(150)之间，所述接触介质为凝胶(130)或液体(180)，其中，所述接触介质(130、180)适于控制所述至少一个透气层(121)和/或所述至少一个感测层(122)的水含量。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感器单元，还包括第二透气层(121b)，所述第二透气层介于所述接触介质(130)与所述可移除保护层(150)之间。
4.根据前述权利要求之一所述的光学传感器单元，还包括邻近所述至少一个透气层(121)并且具有腔体(132)的结构(131)，其中，所述接触介质(130)被布置在所述腔体(132)中。
5.根据前述权利要求之一所述的光学传感器单元，还包括胶粘层(140)，所述胶粘层介于所述可移除保护层(150)与至少支撑所述感测层(122)和/或所述透气层(121)的结构(110)之间。
6.根据权利要求5所述的光学传感器单元，其中，所述胶粘层(140)被提供用于在移除所述保护层(150)之后被附接到交换气体的对象。
7.根据权利要求5或6所述的光学传感器单元，其中，所述胶粘层(140)包括第一胶粘层(140a)、第二胶粘层(140b)和介于所述第一胶粘层(140a)与所述第二胶粘层(140b)之间的支撑层(141)。
8.根据权利要求7所述的光学传感器单元，其中，
-所述第一胶粘层(140a)具有用于使所述至少一个透气层(121)和/或所述接触介质(130)暴露的至少一个开口，
-所述第二胶粘层(140b)和所述支撑层(141)覆盖所述至少一个透气层(121)和/或所述接触介质(130)，并且
-所述第二胶粘层(140b)和所述支撑层(141)在其对应于所述透气层(121)的部分中被至少部分地穿孔。
9.根据前述权利要求之一所述的光学传感器单元，其中，所述感测层(122)包括发光材料。
10.根据前述权利要求之一所述的光学传感器单元，其中，所述透气层(121)适于防止光通过所述透气层(121)。
11.根据前述权利要求之一所述的光学传感器单元，其中，所述可移除保护层(150)包括塑料和/或金属和/或为不透光的和/或为不透气的。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器单元，其中，所述光学传感器单元为经皮传感器单元，所述经皮传感器单元用于测量血液气体浓度，尤其是O2和/或CO2的气体浓度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器单元，还包括：
-至少一个光源或导光结构(220)，其适于用光辐照所述感测层(122)；
-至少一个导光结构或检测设备(220)，其适于检测所述感测层(122)的所述光学响应，其中，所述光源、导光结构和/或所述检测设备中的至少一个优选被可拆卸地连接到所述光学传感器单元。
14.一种用于患者监测和/或患者的通气的系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器单元(10)、通气设备和监测设备。
15.一种用于使用光学传感器单元(10)来测量气体的浓度的方法，所述光学传感器单元(10)包括：至少一个感测层(122)，其适于被预定辐射辐照；至少一个透气层(121)，其邻近所述至少一个感测层(122)的一侧并且适于使要测量其浓度的气体朝向所述感测层(122)通过所述透气层(121)；以及可移除保护层(150)，其至少覆盖所述透气层(121)并且适于在所述光学传感器单元(10)的使用之前被移除，其中，所述光学传感器单元(10)适于测量所述至少一个感测层(122)的光学响应，该光学响应取决于所述气体的浓度，所述方法包括以下步骤：
-从所述光学传感器单元(10)移除所述保护层(150)，
-将所述光学传感器单元(10)附接到释放气体的对象，
-接收要在所述感测层(122)中测量其浓度的、通过所述透气层(121)之后的气体，
-以所述预定辐射辐照所述感测层(122)，并且
-感测所述感测层(122)的所述光学响应，所述光学响应取决于所述气体的浓度。
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